Lähtökohdat

Hiilineutraali yhteiskunta on saavutettava tulevaisuuden skenaario, joka toteutetaan konkreettisilla päätöksillä ja toimilla yhteiskunnan kaikilla tasoilla. Hiilineutraaliutta edistetään johdonmukaisella ilmasto- ja energiapolitiikan toteuttamisella, puhtaisiin energialähteisiin investoimalla ja kokonaisvaltaisella yhteiskunnan rakenneuudistuksella. Fossiilivapaan energiarakentamisen merkitys korostuu yhteiskunnan sähköistymisen ja digitalisaation edetessä vauhdilla. Tuulivoimaan perustuvan energian valjastaminen onkin yksi keino vastata päättäväisesti ilmastokriisiin, jonka globaalit uhkakuvat käyvät yhä todellisimmiksi luonnossa havaittavien muutosten myötä. Uutta, puhdasta tuulivoimakapasiteettia lisäämällä voidaan aktiivisesti vaikuttaa biodiversiteetin säilymiseen, kotimaiseen energiaomavaraisuuteen sekä yhteiskunnan riippumattomuuteen ulkomaisesta energiapolitiikasta.

Tuulivoimaperustusten suunnittelua koskevat yhtenäiset suunnitteluohjeet ja -käytännöt puuttuvat toistaiseksi, mikä saattaa joissain tilanteissa jättää liikaa tulkinnanvaraa perustuksen rakennesuunnittelijalle. Tuulivoimaloilta tavoitellut tuotantokapasiteetit ovat kasvaneet merkittävästi 2000-luvun aikana. Nykyään teollisen kokoluokan voimalan turbiini saattaa sivuta jopa 300 metrin korkeutta. Yhä suurempien ja tehokkaampien voimaloiden tavoittelu edelleen heijastuu tuulivoimaloiden perustusrakenteiden kuormiin, jotka voivat olla moninkertaisia, vaikka vertailukohdaksi valitaan valtateiden sillat.

Muutoksen välttämättömyys kiihdyttää puhtaiden teknologioiden kehittämistä, mutta samalla uudet innovaatiot voivat myös rajoittaa nopeasti kehittyvää alaa. Uusista suunnitteluratkaisuista ei välttämättä ehditä hankkia riittävää kokemusta, jotta uusiin rakenneratkaisuihin voidaan aidosti luottaa ennen todellisten kohteiden toteutumista. Näin ollen uudenlaisilta suunnitteluratkaisuilta vaadittu tekninen käyttöikä saattaa alittua merkittävästi, mikäli alimitoitetut rakenteet murtuvat ennenaikaisesti valtavien dynaamisten ja syklisten kuormien väsyttäminä.

Tuulivoimalan paaluperustuksen suunnittelua selvittänyt opinnäytetyö yhdistettiin Destian tuulivoimarakentamisen kehittämishankkeeseen. Opit, havainnot ja kokemukset dokumentoitiin siten, että selvitystyön tuloksia voidaan hyödyntää monipuolisesti taitorakenteiden suunnittelutoimeksiannoissa. Näin ollen kehittämistyön lähtökohdaksi valittiin kirjallisuuskatsaus, jota täydennettiin FEM-rakennemalleilla sekä rakenneteknisillä vertailulaskelmilla, joiden avulla saatiin varmistettua paaluperustuksen rakenteellisen toiminnan keskeiset periaatteet.

Alustalukumalli

Alustalukumalli havaittiin toimivaksi menetelmäksi, jota soveltamalla paalujen ja niitä ympäröivän maan epälineaarinen vuorovaikutus saadaan mallinnettua luotettavalla tarkkuudella. Tällöin maata kuvataan jousivakioiden sarjalla, joka määritellään syvyyskoordinaatin funktiona paalupituudelle. Jousivakioiden laskenta tehdään pääpiirteissään seuraavasti. Ensin lasketaan alustalukujen perusarvot huomioiden maalaji ja kuormituksen ajallinen kesto. Toiseksi alustalukujen perusarvot redusoidaan tilannekohtaisesti. Jäykkyyttä alentavia tekijöitä ovat esimerkiksi pohjavedenpinnan korkeus ja kuormien syklisyys kitkamaalla, eri maalajien rajapintojen muutosvyöhykkeet sekä paalujen etäisyydet toisiinsa nähden. Kolmanneksi jousien jäykkyydet iteroidaan siten, että lopulta paalun sivupaine vastaa vaakasiirtymää. Jousivakioiden laskemisessa kannattaa mahdollisimman aikaisin selvittää kaikki jousivakioiden jäykkyyttä alentavat tekijät. Siten ne voidaan huomioida paalujen sijoittelun, kaltevuuden sekä radiaalisen että tangentiaalisen jaon määrittämisessä. (Kuva 1.)

Rakenneratkaisu

Tuulivoimalan rakenneanalyysin perusteella havaitaan, että kaatavien kuormien vaikutus on merkittävä epäedullisesti vaikuttava tekijä. Tämän vuoksi paalujen sijoittelussa painotetaan erityisesti peruslaatan reuna-alueita, koska perustuksen keskellä paalut eivät enää toimi tehokkaasti kaatumista vastaan. Lisäksi rakenneanalyysin tuloksista nähdään, että peruslaatan voimasuureet saadaan pysymään rakennesuunnittelussa hallittavissa suuruusluokissa paalun sijoittelun painotuksista riippumatta. (Kuva 2.)

Paalujen lukumäärään ja kaltevuuden optimoinnin tulisi pohjautua ensisijaisesti perustuksen kokonais-jäykkyyteen siirtymistä ja kiertymistä vastaan. Huomioidaan lisäksi, että peruslaatan rasitukset kannattaa tarkistaa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa. Näin päädytään ketterämmin tilanteeseen, jossa sekä paalujen että peruslaatan voimasuureet osuvat järkeviin suuruusluokkiin. Pelkkien paalukuormien optimointi ei ole tarkoituksenmukaista, jos peruslaattaa ei saada edes teorian tasolla raudoitettua tehokkaasti.

Paaluilla heikosti kantavat maakerrokset ohitetaan kohtuullisin kustannuksin, kun maanvaraisen perustuksen vaatimien massanvaihtojen kustannukset nousevat korkeiksi. Paalutettuun tuulivoimaperustukseen sijoittaminen voikin olla kannattavaa niin teknisesti kuin taloudellisesti, kun rakenteiden mitoituksessa huomioidaan riittävä varmuus rakenteiden kestävyydelle, käyttökelpoisuudelle ja vakaudelle. Optimoitu paaluperustus on kilpailukykyinen vaihtoehto, kun samalla myös suunnittelukäyttöikä valitaan järkevälle tasolle.

Kirjoittaja: Jarmo Lampimäki, sillansuunnittelun insinööri, Destia, jarmo.lampimaki@destia.fi
Ohjaaja: Arto Puurula, rakennetekniikan yliopettaja, TkT

Opinnäytetyö on tehty osana Destian valtakunnallista tuulivoimarakentamisen hanketta. Työn nimi on Tuulivoimalan paaluperustuksen suunnittelu.